摘 要：

針對(duì)核事故現(xiàn)場(chǎng)的物理屏蔽嚴(yán)重、應(yīng)急處置作業(yè)條件復(fù)雜、作業(yè)對(duì)象不明確等特點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了一款基于動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)。在自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)Mesh保持良好通訊的情況下，利用疊加在真實(shí)回傳視頻中的虛擬模型，提出一種基于空間梯度的人工勢(shì)場(chǎng)力覺(jué)引導(dǎo)算法。操作者可通過(guò)觀察視覺(jué)交互系統(tǒng)中模型的變化和感受施加在自研主手的引導(dǎo)力，提高時(shí)延條件下的操作效率和臨場(chǎng)感。實(shí)驗(yàn)表明，核輻射條件下遙操作系統(tǒng)130 m的通訊時(shí)延在30 ms以下，可滿足視頻傳輸?shù)膸捯?。力覺(jué)引導(dǎo)下的物體避障抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性和遙操作系統(tǒng)的工程實(shí)用性。因此，本文設(shè)計(jì)的基于動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，可使操作者以更加直觀自然的方式參與到遙操作系統(tǒng)中，有效提高操作員完成復(fù)雜遙操作任務(wù)的安全性和操作性能。

關(guān)鍵詞：

核事故; 遙操作系統(tǒng); 自組織網(wǎng)絡(luò); 力覺(jué)引導(dǎo); 臨場(chǎng)感

中圖分類號(hào)：

TP 242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.05.15

Design and experimental study of teleoperation system for emergency response in nuclear accident

LI Hang*， HOU Yanpeng， CHOU Wusheng， MENG Lingda

（School of Mechanical Engineering amp; Automation， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract：

A robot teleoperation system based on dynamic self-organizing network is studied and designed to address the characteristics of severe physical shielding， complex emergency response conditions， and unclear operation objects at nuclear accident sites. A spatial gradient based artificial potential field force guidance algorithm is proposed using virtual models superimposed on real backhaul videos while maintaining good communication in a ad-hoc network’s real-time Mesh. Operators can improve operational efficiency and telepresence under time delay conditions by observing changes in the model in the visual interaction system and feeling the guiding force applied to the self-developed main hand. The experiment shows that under nuclear radiation conditions， the communication delay of the teleoperation system at 130 m is below 30 ms， which can meet the bandwidth requirements of video transmission. The experiment of obstacle avoidance and grasping guided by force guidance is verified the feasibility of the algorithm and the engineering practicality of the teleoperation system. Therefore， the robot teleoperation system based on dynamic self-organizing network designed in this article can enable operators to participate in the teleoperation system in a more intuitive and natural way， effectively improving the safety and operational performance of operators in completing complex teleoperation tasks.

Keywords：

nuclear accident; teleoperation system; ad-hoc network; force guidance; telepresence

0 引 言

核能一直被認(rèn)為是清潔高效的能源而受到重視，然而一旦發(fā)生事故便會(huì)嚴(yán)重危害公共安全，例如三哩島事故、切爾諾貝利事件以及日本福島核電站特大核泄漏事件等［1-4］。同時(shí)，此類災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)具有強(qiáng)輻射、通訊受阻、作業(yè)任務(wù)內(nèi)容復(fù)雜、作業(yè)對(duì)象不明確等特點(diǎn)，使得靠人工很難開展應(yīng)急處置工作。遙操作技術(shù)作為核事故環(huán)境下機(jī)器人控制的一項(xiàng)解決方案，不僅可以較為精密地執(zhí)行搬運(yùn)、拆解等操作，還可以面對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下事故突發(fā)情況的處理，大大彌補(bǔ)了機(jī)器人自主操作智能化的不足，降低機(jī)構(gòu)的故障發(fā)生率和損壞率。因此，采用人機(jī)交互遠(yuǎn)程遙操作技術(shù)來(lái)控制相關(guān)涉核裝置應(yīng)急處置機(jī)器人進(jìn)入危險(xiǎn)核心區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)、拆解搬運(yùn)等任務(wù)，具有極其深遠(yuǎn)的意義。

遙操作技術(shù)起始于1949年美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，第1臺(tái)主從式遙操作機(jī)器人Model M1的主要用途就是用于放射性核肥料的處理［5］。其后，各國(guó)在遙操作方面進(jìn)行了大量研究，并建立了相應(yīng)的遙操作系統(tǒng)。日本應(yīng)用于福島特大核泄漏事故的Packbot和Warrior機(jī)器人［6-10］，可以在600 m以外的防護(hù)掩體中實(shí)施遙控作業(yè)，同時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)圖像信息。但由于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的物理屏蔽，使得通訊成為制約處置機(jī)器人空間可達(dá)性的因素之一，例如Packbot經(jīng)常作為信號(hào)中繼［11］，來(lái)保證去污機(jī)器人的正常工作，使得自身資源和功能極大地浪費(fèi);美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的Remote Work Vehicle是一款可用于核電站遠(yuǎn)程維護(hù)作業(yè)的機(jī)器人［12-15］，操作者通過(guò)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)遙控機(jī)械手完成核電站地面清潔任務(wù)、清除放射性熱點(diǎn)、核設(shè)施退役等作業(yè)。然而出于操作者熟練度的不足，在模擬實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)過(guò)混淆方向的錯(cuò)誤，導(dǎo)致目標(biāo)物損壞。同理，在福島的事故處置過(guò)程中，幾乎所有的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)都要求進(jìn)行模擬場(chǎng)景演練［16-17］。

隨著傳感技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，此類機(jī)器人的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性以及功能多樣性成為其主要的發(fā)展趨勢(shì)［18-19］。文獻(xiàn)［20］中利用臨場(chǎng)感遙操作技術(shù)研制出小型核化探測(cè)與應(yīng)急處理機(jī)器人，用于戰(zhàn)場(chǎng)或核生化等事故現(xiàn)場(chǎng)代替士兵執(zhí)行偵查、取樣等任務(wù)。Xia等設(shè)計(jì)了一款排爆機(jī)器人靈蜥-HW可用于軍事反恐、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域［21］。此外，還出現(xiàn)了眾多具有特定功能的事故應(yīng)急機(jī)器人，如核環(huán)境下探測(cè)機(jī)器人［22-23］、污染物采樣機(jī)器人［24-25］、水下觀測(cè)機(jī)器人［26-27］、核應(yīng)急檢修機(jī)器人［28-30］等。

綜上，核事故環(huán)境下的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)目前具有以下難點(diǎn)問(wèn)題：① 由于事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息未知，導(dǎo)致信息采集與通訊質(zhì)量難以保證;② 操作主端力反饋信息不足以滿足人員的臨場(chǎng)感需求，從而導(dǎo)致操作失誤的情況。因此，本文以一類事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置機(jī)器人為需求對(duì)象，開發(fā)了一套基于動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的遙操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于空間梯度的人工勢(shì)場(chǎng)力覺(jué)引導(dǎo)算法，從而在時(shí)延的條件下提高機(jī)器人處置作業(yè)的效率和準(zhǔn)確度。

1 遙操作系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文研究的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)由串聯(lián)式六自由度主手（主端）、動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)（通訊環(huán)節(jié)）、從端機(jī)器人3部分組成，如圖1所示。工作流程如下：遙操作系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)過(guò)程。操作者通過(guò)交互軟件界面觀察機(jī)器人所處環(huán)境，并向主端虛擬模型和從端機(jī)器人發(fā)送操作指令（如速度、位置信息），從端機(jī)器人做相應(yīng)的位姿運(yùn)動(dòng)，隨之機(jī)器人的位置、姿態(tài)信息以及環(huán)境信息通過(guò)視頻采集模塊、環(huán)境感知模塊同時(shí)發(fā)送回主端交互平臺(tái)上，與虛擬模型生成的引導(dǎo)力融合，通過(guò)主手反饋給操作者。操作者結(jié)合視覺(jué)信息和力覺(jué)感知進(jìn)行下一步指令的發(fā)送。

1.1 串聯(lián)式六自由度主手

遙操作主手目前在國(guó)外已經(jīng)有較為成熟的商業(yè)產(chǎn)品，但行業(yè)長(zhǎng)期被國(guó)際公司壟斷，大工作空間的六自由度力反饋主手價(jià)格昂貴且形式功能單一。因此，本文的遙操作系統(tǒng)集成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的串聯(lián)式力反饋設(shè)備，如圖2所示。主手為一個(gè)帶有平行四桿機(jī)構(gòu)的六自由度機(jī)械臂，主要由回轉(zhuǎn)腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)機(jī)械臂及末端球形腕部結(jié)構(gòu)組成。為避免使用過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器負(fù)載過(guò)大，將腰、肘、肩部分電機(jī)均置于底座部分，而腕部由于進(jìn)行交互時(shí)需要施加的力較小，采用體積小重量輕的電機(jī)并將其內(nèi)置到了機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)，具體參數(shù)如表1所示。

為了降低主手自重帶來(lái)的關(guān)節(jié)電機(jī)負(fù)載，提高操作人員力覺(jué)感知的透明度，主手采用了一種新型的被動(dòng)重力平衡機(jī)構(gòu)，如圖3所示?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算完全平衡自重引起的重力力矩，主要包括肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)重力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩部分組成。

1.2 動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)的無(wú)限蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，需要布置固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如基地站的支持等，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和用戶服務(wù)控制。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中需要布置多個(gè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)管理工作，并且這些設(shè)備的布置極其繁瑣，甚至需要相關(guān)工程師在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，這種方式顯然不符合核事故環(huán)境下對(duì)網(wǎng)絡(luò)布置的要求。而近些年新興起的自組網(wǎng)的方式，拋棄了傳統(tǒng)的需要基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)進(jìn)行通訊的方式，采用去中心化的方式，利用移動(dòng)終端的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能來(lái)進(jìn)行信息傳輸，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)處于平等的地位，相關(guān)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障并不會(huì)對(duì)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能造成顯著影響。因此，本文的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)采用無(wú)線自組網(wǎng)的方式進(jìn)行，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線Mesh的方式迅速組成網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)給信息傳輸構(gòu)建鏈路，如圖5所示。

整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的搭建主要分為信號(hào)引入和擴(kuò)散兩部分。由于當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，操作人員與事故場(chǎng)地可能并不在同一地點(diǎn)，此時(shí)遙操作的距離將十分遠(yuǎn)，單獨(dú)的局域網(wǎng)可能無(wú)法滿足距離要求，因此可以采用公網(wǎng)/自組網(wǎng)的方式，使得機(jī)器人可以接入公網(wǎng)，從而通過(guò)公網(wǎng)來(lái)完成超遠(yuǎn)距離的信息傳輸。信號(hào)引入部分由一臺(tái)5G路由器完成，信號(hào)通過(guò)有線的方式引入到場(chǎng)地附近后，再通過(guò)自組網(wǎng)的方式對(duì)其進(jìn)行展開，來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境內(nèi)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。作業(yè)機(jī)器人則可以通過(guò)車載接收器，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的接入功能。動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖6所示。

AP（access point）選擇UniFi的UAP-ACM，支持2.4 G、5 G雙頻信號(hào)，可以根據(jù)需要替換大功率天線，可以直接通過(guò)PoE（power over ethernet）對(duì)其進(jìn)行供電，

方便快捷，理論最高速度可達(dá)300 Mbps。因?yàn)槠銶esh組網(wǎng)的方式，在相同節(jié)點(diǎn)的不同布置方式下可能會(huì)組成不同的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，如圖7與圖8所示，分別為相同的節(jié)點(diǎn)在不同放置位置時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。可以看到，相關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其他模塊的信號(hào)情況自動(dòng)選擇最優(yōu)信號(hào)進(jìn)行連接，因?yàn)樾盘?hào)質(zhì)量的不同分別組成了鏈?zhǔn)胶途W(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

另外，考慮實(shí)際核輻射的特殊環(huán)境，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模塊封裝，本體使用鉛對(duì)其進(jìn)行了保護(hù)，防止其受到過(guò)多的核輻射導(dǎo)致模

塊電路設(shè)備損壞，如圖9所示。由于事故現(xiàn)場(chǎng)中AP節(jié)點(diǎn)的部署不能通過(guò)人工進(jìn)行，需要采用機(jī)器人投放的方式，因此外殼設(shè)計(jì)成不倒翁的結(jié)構(gòu)。

2 視覺(jué)交互系統(tǒng)下的主手力覺(jué)引導(dǎo)算法

2.1 視覺(jué)交互系統(tǒng)

在主從遙操作過(guò)程中，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸速度、圖像編解碼算法等因素的影響，操作者往往不得不采用“動(dòng)-停-動(dòng)”的方式來(lái)克服指令與反饋信息的時(shí)延，這給事故處置過(guò)程帶來(lái)極大的不便。因此，本文的遙操作系統(tǒng)借助虛擬的從端模型來(lái)設(shè)計(jì)主端的視覺(jué)交互系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)更新的虛擬模型與時(shí)延回傳的真實(shí)圖像進(jìn)行疊加，從而使操作人員可根據(jù)預(yù)測(cè)顯示結(jié)果來(lái)保證指令的高效發(fā)送。同時(shí)，虛擬模型也將用于輔助力覺(jué)的生成。交互系統(tǒng)疊加流程如圖10所示，

其中VAO（vertex array object）為頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象，VBO（vertex buffer object）為頂點(diǎn)緩沖區(qū)對(duì)象，STL（stereo lithography file format）為立體光刻文件格式。

2.2 主手力覺(jué)引導(dǎo)算法

2.2.1 主手建模

對(duì)于主手的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，本文采用改進(jìn)DH（Denavit-Hartenberg）法來(lái)進(jìn)行，可避免閉鏈結(jié)構(gòu)主手在建模時(shí)出現(xiàn)坐標(biāo)系重合而引起的歧義問(wèn)題。各個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系結(jié)果如圖11所示，其中底座高87 mm，大臂長(zhǎng)350 mm，小臂長(zhǎng)300 mm，在此坐標(biāo)系基礎(chǔ)上可以得到改進(jìn)DH法的最終DH參數(shù)如表2所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 遙操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

針對(duì)第1節(jié)系統(tǒng)方案內(nèi)容建立基于動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，布局如圖12所示。其中，從端機(jī)器人將根據(jù)不同測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行替換，視覺(jué)交互系統(tǒng)已集成到主端的軟件界面。

3.2 網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

由于主、從端需要借助動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)進(jìn)行通訊，同時(shí)自組網(wǎng)絡(luò)多跳的原因，處于不同鏈路層的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量也會(huì)受到影響，因此，對(duì)所組建網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整自組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，保證網(wǎng)絡(luò)性能可用。性能測(cè)試主要包括帶寬測(cè)試和時(shí)延測(cè)試，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試的主要過(guò)程如圖13所示，傳輸協(xié)議為TCP（transmission control protocol）。

按照上述原理搭建相應(yīng)的測(cè)試服務(wù)器對(duì)自組網(wǎng)的性能進(jìn)行測(cè)試，分為局域網(wǎng)、5G網(wǎng)兩部分，分別測(cè)試上傳速率、下載速率、時(shí)延信息，局域網(wǎng)內(nèi)的性能測(cè)試主要為對(duì)AP模塊的組網(wǎng)性能進(jìn)行測(cè)試，5G網(wǎng)絡(luò)部分的性能測(cè)試則代表整個(gè)系統(tǒng)的性能。按照上述測(cè)試方案進(jìn)行測(cè)試后得到的數(shù)據(jù)如表3所示，均通過(guò)多次測(cè)量求均值的方式來(lái)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

測(cè)試時(shí)分別采用不同位置、不同組網(wǎng)方式、不同多跳級(jí)數(shù)來(lái)進(jìn)行，最遠(yuǎn)距離達(dá)到130 m的距離。通過(guò)局域網(wǎng)內(nèi)性能測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每隔65 m進(jìn)行節(jié)點(diǎn)放置時(shí)，每級(jí)多跳之間的帶寬衰減約為45%，但是由于無(wú)距離時(shí)局域網(wǎng)內(nèi)本身就具有174 Mbps的帶寬，在130 m距離布置3個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)兩次多跳后仍有55.8 M的帶寬。同時(shí)，分析5G網(wǎng)絡(luò)的性能發(fā)現(xiàn)，每級(jí)多跳之間帶寬等并未受到太大影響，并無(wú)明顯衰減跡象。分析其原因?yàn)椋藭r(shí)5G網(wǎng)絡(luò)的最高速率仍在局域網(wǎng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)多跳后的帶寬范圍內(nèi)，因此表現(xiàn)出并未衰減的現(xiàn)象，也說(shuō)明在此條件下，搭建的公網(wǎng)/自組網(wǎng)的方式主要受到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的制約，所搭建的自組網(wǎng)性能可以將運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)的性能完全發(fā)揮。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的功能，更好地解決實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)的不確定因素，本文在輻照中心核環(huán)境下，利用動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)，進(jìn)行探查機(jī)器人的環(huán)境感知與自主導(dǎo)航測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)通訊構(gòu)建與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?，并測(cè)試了多AP節(jié)點(diǎn)的通訊時(shí)延。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將探測(cè)機(jī)器人作為從端，依靠接收器無(wú)線接入到動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)中，使得輻射場(chǎng)外的主端可以實(shí)時(shí)接收到從端不同位置的回傳信息。測(cè)試場(chǎng)地與方案布局如圖14所示。

圖15為從端機(jī)器人不同位置與AP節(jié)點(diǎn)的連接情況，可以發(fā)現(xiàn)從端機(jī)器人伴隨著移動(dòng)的進(jìn)行，實(shí)時(shí)更新與自組網(wǎng)的橋接點(diǎn)位，機(jī)器人位姿信息實(shí)時(shí)回傳的通訊時(shí)延記錄在表4中，如此證明本文設(shè)計(jì)的遙操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)在核環(huán)境下具備良好的通訊性能，時(shí)延在30 ms以下。從圖16中可以看到，車載攝像頭借助AP節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)回傳圖像，雖然圖像受核輻射影響出現(xiàn)雪花，但視頻圖像仍可以穩(wěn)定傳輸。

3.3 力覺(jué)引導(dǎo)下避障抓取實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的可行性，本節(jié)進(jìn)行在力覺(jué)引導(dǎo)下的機(jī)械臂遙操作避障抓取試驗(yàn)，從端機(jī)器人由UR5機(jī)械臂和大環(huán)手爪組成，如圖17所示。場(chǎng)景中設(shè)定兩個(gè)物體，障礙物為圓柱體，目標(biāo)物為立方體，設(shè)置引力位置增益為20，斥力位置增益為0.2，斥力作用距離閾值為0.2 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，抓取過(guò)程如圖18所示。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖19為力覺(jué)引導(dǎo)算法生成的具有梯度變化的人工勢(shì)場(chǎng)。在整個(gè)水平面XY內(nèi)，當(dāng)不在障礙物的斥力作用范圍內(nèi)時(shí)，場(chǎng)內(nèi)有一個(gè)較弱的引導(dǎo)力引導(dǎo)操作者靠近目標(biāo)物體來(lái)進(jìn)行抓取。而當(dāng)從端末點(diǎn)靠近障礙物時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的斥力來(lái)反饋給操作者，使操作者感知到此處距離障礙物較近，即將與其發(fā)生碰撞，需要繞行操作。

為了更好地展示避障抓取過(guò)程中引導(dǎo)力的變化，我們選取了整個(gè)過(guò)程中最為代表性的部分，即從端末端運(yùn)動(dòng)到（x，y，z）=（0.34，0.34，0.21）時(shí)，人為地控制機(jī)械臂去靠近障礙物，以此來(lái)較為明顯地感受到背向障礙物的斥力。隨后，繼續(xù)按照引導(dǎo)力的作用方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最終正確的移動(dòng)到了目標(biāo)物體前端（x，y，z）=（－0.09，0.65，0.10）。

圖20為上述描述過(guò)程的末端移動(dòng)軌跡，圖21為末端位置和末端引導(dǎo)力在各個(gè)方向上的分量。整個(gè)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，在初始階段T∈（0，7）s時(shí)，目標(biāo)物體位于障礙物后方，并且從端末端當(dāng)前位置高于目標(biāo)物體，因此引導(dǎo)力主要為x以及z軸方向，即Fxgt;Fy，F(xiàn)zgt;Fy。在中期階段T∈（7，14）s，為了驗(yàn)證斥力場(chǎng)的作用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人為的控制機(jī)械臂去沿z軸接近障礙物，在圖21中表現(xiàn)為在8 s時(shí)物體的坐標(biāo)變化趨勢(shì)明顯發(fā)生了變化，尤其z軸方向。此時(shí)x、y、z軸的引導(dǎo)力發(fā)生了明顯變化，分別給出了背向障礙物的引導(dǎo)力，阻止我們繼續(xù)接近障礙物。隨后在14 s時(shí)，重新按照引導(dǎo)力的指引操作從端末端運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物體附近。當(dāng)接近目標(biāo)物體時(shí)，引導(dǎo)力隨著距離變化進(jìn)行了衰減，在各個(gè)方向上的分量均衰減到了接近0的程度，則表示當(dāng)前已距離目標(biāo)物體很近，可以進(jìn)行抓取。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)核事故現(xiàn)場(chǎng)的通訊受阻、強(qiáng)輻射、作業(yè)環(huán)境存在未知性等特點(diǎn)，提出并建立了一款基于動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的遙操作系統(tǒng)。其中，動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)通過(guò)Mesh方式，使得在事故發(fā)生時(shí)可以立刻實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的構(gòu)建，在130 m核環(huán)境下通訊時(shí)延在30 ms以下，視頻圖像的傳輸也可穩(wěn)定進(jìn)行。為了進(jìn)一步克服時(shí)延所帶來(lái)的影響，提出了一種基于空間梯度的人工勢(shì)場(chǎng)力覺(jué)引導(dǎo)算法，并將引導(dǎo)力施加到自研主手上，以此輔助操作者及時(shí)預(yù)測(cè)從端機(jī)器人狀態(tài)，提高處置作業(yè)中的臨場(chǎng)感。力覺(jué)引導(dǎo)下的避障抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性和所研制遙操作系統(tǒng)的工程實(shí)用性。未來(lái)將替換從端機(jī)器人為應(yīng)急處置機(jī)器人來(lái)進(jìn)行力覺(jué)遙操作研究，實(shí)現(xiàn)真實(shí)事故現(xiàn)場(chǎng)下的遠(yuǎn)程遙操作技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

［1］ CUI J， TOSUNOGLU S， ROBERTS R， et al. A review of teleoperation system control［C］∥Proc.of the Florida Conference Recent Advances in Robotics， 2003.

［2］ BOGUE R. Robots in the nuclear industry： a review of technologies and applications［J］. Industrial Robot， 2011， 38（2）： 113-118.

［3］ 陳濤. 遙操作排爆機(jī)器人研制及其運(yùn)動(dòng)控制研究［D］. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2019.

CHEN T. Development and motion control research of teleoperation explosive ordnance disposal robot［D］. Jinan： Shandong University， 2019.

［4］ AKAHANE K， YONAI S， FUKUDA S， et al. The Fukushima nuclear power plant accident and exposures in the environment［J］. Environmentalist， 2012， 32（2）： 136-143.

［5］ GEORTZ R C， THOMPSON W M. Electronically controlled manipulator［J］. Nucleonics Ceased Publication， 1954， 12（11）： 46-47.

［6］ TOKYO ELECTRIC POWER COMPANY. Decommissioning plan of Fukushima Daiichi nuclear power［EB/OL］. ［2022-11-10］. http：∥www.tepco.co.jp/en/decommision/index-e.html， 2017.

［7］ SHANG L， WANG H B， SI H Q， et al. Investigating the obstacle climbing ability of a coal mine search-and-rescue robot with a hydraulic mechanism［J］. Applied Sciences， 2022， 12（20）： 10485-10489.

［8］ NAGATANI K， KIRIBAYASHI S， OKADA Y， et al. Emergency response to the nuclear accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plants using mobile rescue robots［J］. Journal of Field Robotics， 2013， 30（1）： 44-63.

［9］ MAGNUSON S. Search-and-rescue robots needed， but market has yet to develop［J］. National Defense， 2011， 96（10）： 24-26.

［10］ WU J W， ZHENG X M， CHEN J S， et al. Distributions and impacts of plutonium in the environment originating from the Fukushima Daiichi nuclear power plant accident： an overview of a decade of studies［J］. Journal of Environmental Radioactivity， 2022， 12（6）： 248-253.

［11］ KAWATSUMA S， MIMURA R， ASAMA H. Unitization for portability of emergency response surveillance robot system： experiences and lessons learned from the deployment of the JAEA-3 emergency response robot at the Fukushima Daiichi nuclear power plants［J］. Robomech Journal， 2017， 4： 6.

［12］ DINH Q T， BUI N M T， NGUYEN T T， et al. Force reflecting joystick control for applications to bilateral teleoperation in construction machinery［J］. International Journal of Precision Engineering， 2017， 18（3）： 301-315.

［13］ SOYGUDER S， ABUT T. Haptic industrial robot control with variable time delayed bilateral teleoperation［J］. Industrial Robot， 2016， 43（4）： 390-402.

［14］ TUGAL H， CARRASCO J. Teleoperation with nonlinear environments： multiplier approach［J］. IFAC-PapersOnLine， 2016， 49（30）： 308-313.

［15］ MATHESON A， DONMEZ B， REHMATULLAH F， et al. The effects of predictive displays on performance in driving tasks with multi-second latency aiding tele operation of lunar rovers［J］. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting， 2013， 57（1）： 21-25.

［16］ YASUYOSHI Y. The use of robots to respond to nuclear accidents： applying the lessons of the past to the Fukushima Daiichi nuclear power station［J］. Annual Review of Control， Robotics， amp; Autonomous Systems， 2021， 33（4）： 681-710.

［17］ SATO N. Evaluation exercise in the seminar for standard test method of ground robot at fukushima robot test field［C］∥Proc.of the IEEE International Conference on Intelligence and Safety for Robotics， 2021.

［18］ 劉青松， 張一心， 向文元， 等. 核電站機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2011（3）： 12-16.

LIU Q S， ZHANG Y X， XIANG W Y， et al. Application status and development trend of robot technology in nuclear power plant［J］. Robot Technique and Application， 2011（3）： 12-16.

［19］ 楊汝清， 宋克威. “勇士號(hào)”遙控移動(dòng)式作業(yè)機(jī)器人［J］. 高技術(shù)通訊， 1997， 7（2）： 4-8.

YANG R Q， SONG K W. A “Warrior” teleoperation mobile robot［J］. High Technology Communications， 1997， 7（2）： 4-8.

［20］ 宋愛(ài)國(guó). 力覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人（1）：技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀［J］." 南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 5（1）： 1-19.

SONG A G. Force teleoperation telerobot （1）： review of the history and development［J］. Journal of Nanjing University of Information Science and Technology， 2013， 5 （1）： 1-19.

［21］ XIA Y， WAN Y， CHEN T. Investigation on bifurcation and chaos control for a spur pair gear system with and without nonlinear suspension［C］∥Proc.of the 37th Chinese Control Conference， 2018.

［22］ 崔建偉. 東南大學(xué)研制成功小型核化探測(cè)與應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人［J］. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2012（1）： 2-6.

CUI J W. Southeast university developed a small nuclear detection and emergency handling teleoperated Robot［J］. Robot Technology and Application， 2012（1）： 2-6.

［23］ SHEN S B， SONG A G， LI T. Bilateral motion prediction and control for teleoperation under long time-varying delays［J］. ISA Transactions， 2021， 23（115）： 61-70.

［24］ 張小俊， 李滿宏， 張明路， 等. 核電站多功能水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2016， 33（6）： 7-16.

ZHANG X J， LI M H， ZHANG M L， et al. Structure design and analysis of multi-function underwater vehicle in nuclear power plant［J］. Journal of Machine Design， 2016， 33（6）： 7-16.

［25］ WANG Y H， GUAN C， LIU G Y， et al. Haptic-based isomorphic teleoperation system for nuclear spent fuel post-process［C］∥Proc.of the World Conference on Intelligent and 3-D Technologies， 2022： 591-609.

［26］ KIM J H， LEE J C， CHOI Y R. Development of an underwater robot for nuclear reactor vessel［C］∥Proc.of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics， 2013： 1699-1703.

［27］ SATOSHI O， KATSHIKO H， RYOSUKE K， et al. Development and application of robotics for decommissioning of Fukushima Daiichi nuclear power plant［J］. Journal of the Robotics Society of Japan， 2022， 4（8）： 89-94.

［28］ ZHAO F， MA Y G， SUN Y S. Application and standardization trend of maintenance and inspection robot（MIR） in nuclear power station［C］∥Proc.of the 3rd International Symposium on Mechatronics and Industrial Informatics， 2017.

［29］ HUANG P F， DAI P， LU Z Y， et al. Asymmetric wave variable compensation method in dual-master-dual-slave multilateral teleoperation system［J］. Mechatronics， 2018， 49： 1-10.

［30］ 沈華亞， 朱萬(wàn)寧， 董強(qiáng)敏， 等. 耐強(qiáng)輻射遙控探測(cè)機(jī)器人研制［J］. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)， 2015， 35（1）： 5-11.

SHEN H Y， ZHU W N， DONG Q M， et al. Development of radiation-resistant remote sensing robot［J］. Nuclear Electronics and Detection Technology， 2015， 35（1）： 5-11.

作者簡(jiǎn)介

李 航（1992—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)檫b操作系統(tǒng)雙邊控制。

侯彥朋（1998—），男，碩士，主要研究方向?yàn)檫b操作系統(tǒng)通信技術(shù)。

丑武勝（1969—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、人機(jī)集成與協(xié)同技術(shù)。

孟令達(dá)（1995—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)。